CN107682058B - 一种基于MIMO的LoRa信号传输方法 - Google Patents

一种基于MIMO的LoRa信号传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MIMO的LoRa信号传输方法，其包括：对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号；对调制后的信号进行空时分组编码；在编码后的信号中加入噪声，并将加入噪声后的信号在瑞利信道上传输；接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'。与现有技术相比，本发明的基于MIMO的LoRa信号传输方法通过LoRa+MIMO的新型传输方式，能够有效地抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性，即本发明通过在LoRa技术中加入多天线技术，且同时采用空时分组编码的形式对信号进行传输，可增加信道的容量，以增加信号发射端和接收端的分集度，获得分集增益，以抵抗瑞利衰落，进而提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性。

Description

一种基于MIMO的LoRa信号传输方法
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地涉及一种基于MIMO的LoRa信号传输方法。
背景技术
当今，物联网已经进入我们的日常生活，万物互联的梦想离我们越来越近，其中，低功耗广域技术的提出，使物联网更上一层楼。在低功耗广域技术中，因LoRa技术具有低功耗，远距离，可扩展性，低成本等优点，且其有着优秀的物理层调制方案以及能自适应控制数据速率的特点，以致LoRa技术成为最受青睐的技术之一。
现有的LoRa技术是一个新兴的技术，其采用了CSS扩频调制方式以及采用了自适应的数据速率，但LoRa信号采用单根天线对信号进行传输，信号在进入瑞利信道之后，其误码率较高，且传输的可靠性大幅下降。
而MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术是未来5G时代的关键技术之一。MIMO技术在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传输和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，即MIMO技术通过增加发送方和接收方的分集度以克服衰落，进而提高信号传输的可靠性。
鉴于此，有必要提供一种可抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性的基于MIMO的LoRa信号传输方法以解决上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性的基于MIMO的LoRa信号传输方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MIMO的LoRa信号传输方法，其包括：所述基于MIMO的LoRa信号传输方法包括：
对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号；
对调制后的信号进行空时分组编码；
在编码后的信号中加入噪声，并将加入噪声后的信号在瑞利信道上传输；
接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'。
其进一步技术方案为：所述对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号之前还包括：在MIMO系统中选择最佳发射天线组合和最佳接收天线组合，以使得信号在所选择的最佳发射天线组合和最佳接收天线组合中进行传输。
其进一步技术方案为：所述在MIMO系统中选择最佳发射天线组合和最佳接收天线组合包括：
发射端和接收端天线获取一个信道矩阵H，并对每个接收端天线的每Npr行进行排列组合，以获得接收端天线组合；
对每个接收端天线组合的信道矩阵进行加权运算，以获得加权矩阵M；
从所述加权矩阵M的每一行中提取Npr个最大值以组成矩阵M'，并将矩阵M'中每一行的值进行累加，以组成矩阵M″；
从所述矩阵M″中提取出最大值，根据所述最大值获得最佳发射天线组合和最佳接收天线组合。
其进一步技术方案为：所述对所要传输的LoRa信号x进行调制以获得调制后的信号包括：对所要传输的LoRa信号进行扩频处理以得到扩频后的信号，且将扩频后的信号与upchirp信号相乘以获得调制后的信号。
其进一步技术方案为：所述接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'包括：接收端对接收到的信号进行解码，且将解码后的信号与downchirp信号相乘，并对相乘后的信号进行解扩处理以获得接收信号x'。
其进一步技术方案为：接收端采用最大似然译码方法对所接收的信号进行解码。
其进一步技术方案为：所述加入的噪声为加性高斯白噪声。
与现有技术相比，本发明的基于MIMO的LoRa信号传输方法通过LoRa+MIMO的新型传输方式，能够有效地抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性，即本发明通过在LoRa技术中加入多天线技术，且同时采用空时分组编码的形式对信号进行传输，可增加信道的容量，以增加信号发射端和接收端的分集度，获得分集增益，以抵抗瑞利衰落，进而提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于MIMO的LoRa信号传输方法第一实施例的流程示意图。
图2是本发明基于MIMO的LoRa信号传输方法第二实施例的流程示意图。
图3是8×8天线阵列中采用天线选择方案和未采用天线选择方案对信号进行传输的仿真对比图。
图4是16×16天线阵列中采用天线选择方案、未采用天线选择方案对信号进行传输以及8×8天线阵列中采用天线选择方案对信号进行传输的仿真对比图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
空时分组编码(SpaceTimeBlockCoding，STBC)是空时编码(SpaceTime Coding)技术中的一种编码方式，而空时编码技术是通过利用阵列天线处理技术从而开发多输入多输出系统(MIMO)性能的革命性发展，其可以有效抵消衰落，提高频谱效率，即空时编码技术的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时间域和空间域两维方向上对信号进行编码，这样才能有效抵抗衰落，提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送，提高频谱效率。
空时分组编码是根据码字的正交设计原理来构造空时码字，空时分组码最早由Alamouti提出的，其设计原则就是要求设计出来的码字各行各列之间满足正交性，数据经过空时编码后，编码数据分为多个支路数据流，分别经过多个发射天线同时发射出去。
参照图1，图1为本发明基于MIMO的LoRa信号传输方法第一实施例的流程示意图。该方法包括：
S101、对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号。
该步骤中，对所要传输的LoRa信号进行扩频处理以得到扩频后的信号，且将扩频后的信号与upchirp信号相乘以获得调制后的信号。所述upchirp信号是啁啾信号，是一种线性调频信号，其频率随时间的增大而增大，即频率和时间成正比。
S102、对调制后的信号进行空时分组编码。
优选地，若本实施例中采用两根发射天线和两根接收天线传输的方案，则在调制后的信号中每两个比特以
Figure BDA0001477667630000051
的形式分为若干个传输块，并将该若干个传输块中代表原始数据一个比特信息的块提取出来，形成一个大的对角编码矩阵，形式如下：
Figure BDA0001477667630000052
其中，i＝1，2，3，...
S103、在编码后的信号中加入噪声，并将加入噪声后的信号在瑞利信道上传输。
该步骤中，所述加入的噪声为加性高斯白噪声，加入的加性高斯白噪声形式如下：
Figure BDA0001477667630000053
其中，i＝1,2,3,...且其维度等于上述编码矩阵的维度。
S104、接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'。
该步骤中，所述接收到的信号Yi＝H*Si+Vi，其中所述H代表传输的瑞利信道，所述S代表发送的信号，所述V代表噪声。接收端采用最大似然译码方法对所接收的信号进行解码，且将解码后的信号与downchirp信号相乘，并对相乘后的信号进行解扩处理以获得接收信号x'。所述downchirp信号也为啁啾信号，但其频率随时间的增大而减小，即频率和时间成反比。所述解扩处理是指接收链路中数据恢复之前移去扩频码。
在本实施例中，通过在LoRa技术中加入多天线技术，且同时采用空时分组编码的形式对信号进行传输，可增加信道的容量，以增加信号发射端和接收端的分集度，获得分集增益，以抵抗瑞利衰落，进而提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性。
参照图2，图2为本发明基于MIMO的LoRa信号传输方法第二实施例的流程示意图。该方法与第一实施例中的方法相比，增加了天线选择方案，其包括：
S201、发射端和接收端天线获取一个信道矩阵H，并对每个接收端天线的每Npr行进行排列组合，以获得接收端天线组合。
该步骤中，获取一个完整的信道，且信道
Figure BDA0001477667630000061
其中Nr代表接收天线的数目，Nt代表发射天线的数目。且将接收天线每Npr行进行排列组合，排列组合后可分为
Figure BDA0001477667630000062
组，其中Npr代表需要选出的接收天线的数目，通过接收天线的组合可得到
Figure BDA0001477667630000063
组Npr×Nt的接收端天线组合。
S202、对每个接收端天线组合的信道矩阵进行加权运算，以获得加权矩阵M。
该步骤中，对每个接收端天线组合中的每一个发射天线的Npr条信道进行加权运算，以获得加权矩阵M，其中加权矩阵M的形式为：
Figure BDA0001477667630000064
其中
Figure BDA0001477667630000065
S203、从所述加权矩阵M的每一行中提取Npr个最大值以组成矩阵M'，并将矩阵M'中每一行的值进行累加，以组成矩阵M″。
该步骤中，矩阵M'的形式为：
Figure BDA0001477667630000071
矩阵M″的形式为：
Figure BDA0001477667630000072
S204、从所述矩阵M″中提取出最大值，根据所述最大值获得最佳发射天线组合和最佳接收天线组合。
该步骤中，在矩阵M″中找到最大值，根据它的序号获得最佳接收天线组合，即id＝argmax(M″)，在矩阵M″中获得最大值序号后，在步骤S201获得的接收端天线组合中找到对应于该序号的H，所找到的H即为最佳接收天线组合。而在矩阵M'中找到第id行的Npr个最大值，根据这Npr个最大值列数的序号获得最佳发射天线组合，即在矩阵M'中获得最大值列数的序号后，在步骤S201获得的接收端天线组合中找到对应于该序号的H，所找到的H即为最佳发射天线组合。
S205、对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号。
该步骤与步骤S101类似，在此不再赘述。
S206、对调制后的信号进行空时分组编码。
该步骤与步骤S102类似，在此不再赘述。
S207、在编码后的信号中加入噪声，并将加入噪声后的信号在所获得的最佳发射天线组合和最佳接收天线组合中进行传输。
该步骤与步骤S103的区别在于：该步骤中加入噪声之后的信号是在经过天线选择方案所选择的最佳发射天线组合和最佳接收天线组合中进行传输的，以降低MIMO系统中因天线数量增长而造成的计算复杂度上升的问题。
S208、接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'。
该步骤中，所述接收到的信号
Figure BDA0001477667630000081
其中所述Npt代表所选的发射天线的数量，所述S代表发送的信号，所述V代表噪声，且本实施例中矩阵H经过矩阵处理后其形式为：
Figure BDA0001477667630000082
本实施例中，通过步骤S201-S204选出了最佳接收天线组合和最佳发射天线组合，确定了传输的信道，即在LoRa+MIMO的传输方式的基础上，加入了天线选择方案，在信号传输前根据信道容量最大准则选择出最优的发射天线和接收天线组合，可解决因采用MIMO技术，天线数量的增加而造成的运算复杂度提升和硬件成本增加的问题，进一步克服了LoRa信号在传输时所遇到的瑞利衰落，使LoRa信号在瑞利信道传输的可靠性进一步提高。
下面通过具体的例子对本实施例进行进一步的说明。
本实施例中的基于MIMO的LoRa信号传输方法具体实现步骤如下所示：
获取一个已知信道H∈C8×8，本例采用8×8的天线阵列对信号进行传输。
且对接收端天线进行两两组合，可得到
Figure BDA0001477667630000083
种接收端天线组合，得到的组合形式为：
Figure BDA0001477667630000084
其中，i＝1,2,3,...28
获得hi后，将每一列进行
Figure BDA0001477667630000085
加权运算，获得加权矩阵M，其中，
Figure BDA0001477667630000086
再将加权矩阵M中每一行的前两个最大值选出来，组成矩阵M'，其中，
Figure BDA0001477667630000091
将获得的矩阵M'中每一行的值进行累加，以获得矩阵M″，其中，
Figure BDA0001477667630000092
从所述矩阵M″中提取出最大值，根据最大值的序号获得最佳接收天线组合，即id＝argmax(M″)，在矩阵M″中获得最大值序号后，在接收端天线两两组合后获得的接收端天线组合hi中找到对应于该序号的hi，所找到的hi即为最佳接收天线组合。且在矩阵M'中提取出第id行的两个最大值，根据两个最大值列数的序号获得最佳发射天线组合，即在矩阵M'中获得最大值列数的序号后，在接收端天线组合hi中找到对应于该序号的hi，所找到的hi即为最佳发射天线组合。
假如所要发送的数据为[1 0]，首先对这组数据进行扩频，若设置的扩频因子为7，则说明一个比特要用27个扩频码来表示，扩频后数据有256个比特，扩频后的信号为：[1 11 … 1 0 0 0 … 0]，并将扩频后的信号与upchirp信号相乘以获得调制后的信号，优选地，可对调制后的信号做功率归一化处理。其中归一化处理后的信号为：[0.0884 0.08840.0883+0.0043i … -0.0883-0.043i -0.0884 -0.0884 -0.0883-0.0043i … 0.0883+0.0043i]
然后，将上述归一化处理后的信号中每两个比特的数据看作一个传输块，并对此传输块中的数据以
Figure BDA0001477667630000093
的形式进行处理，如本例中第一个数据块为[0.08840.0884]，进行处理之后变为
Figure BDA0001477667630000094
以此类推，处理后，将代表原始数据一个比特信息的传输块处理为一个大对角矩阵，如S1对应着第一个比特的信息，其中，
Figure BDA0001477667630000101
再加入噪声，噪声数据均满足复高斯分布，例如：
Figure BDA0001477667630000102
根据公式
Figure BDA0001477667630000103
可获得接收信号，然后对所述接收信号进行解码，优选地，采用最大似然译码方法对所述接收信号进行解码，解码的步骤如下：对所述接收信号进行归一化处理，即首先需要生成LoRa传输的合法码字，LoRa传输的合法码字有两种，分别是x1＝[upchirp]、x2＝[-upchirp]，将接收到的两个接收信号分别与合法码字进行比对，即Y1分别与
Figure BDA0001477667630000104
和
Figure BDA0001477667630000105
进行比对，Y2分别与
Figure BDA0001477667630000106
和
Figure BDA0001477667630000107
进行比对，若信号传输没有出错，则Y1和x1最为接近，Y2和x2最为接近，所以将Y1判定为x1，Y2判定为x2。
最后将最大似然估计后得到的信号[x1 x2]与downchirp信号相乘，得到信号[1 11 … 1 0 0 0 … 0]，并对信号[1 1 1 … 1 0 0 0 … 0]进行解扩处理以获得接收信号x'，即移去扩频码，获得数据[1 0]。
本例中，在8×8的已知信道中进行遍历搜索，选择出最适合于信号传输的2×2天线组合，再将LoRa信号通过该天线组合通过空时分组编码方式进行传输。可理解地，本方法同样适用于在16×16的已知信道或者其他天线阵列的信道中选择最适合于信号传输的天线组合。
参照图3，图3为8×8天线阵列中采用天线选择方案和未采用天线选择方案对信号进行传输的仿真对比图。图中的曲线具体为在8×8的天线阵列中选出最优的2×2天线阵列进行传输的BER(BitErrorRatio，比特出错概率)曲线图，和未采用天线选择方案而直接采用8×8的天线阵列对信号进行传输的BER曲线图。BER的值为一个研究时间间隔期间错误比特的数目与传送的比特总数的比值，通常以百分比表示。由附图可知，未采用天线选择方案而直接采用8×8的天线阵列对信号进行传输的BER曲线图中，其BER曲线在1dB左右达到10-4以下的误码率，而在8×8的天线阵列中选出最优的2×2天线阵列进行传输的BER曲线图中可看出，该BER曲线在0dB以下就达到了10-4以下的误码率。
同时参照图4，图4是16×16天线阵列中采用天线选择方案、未采用天线选择方案对信号进行传输以及8×8天线阵列中采用天线选择方案对信号进行传输的仿真对比图。由附图可知，16×16天线阵列中采用天线选择与8×8天线阵列中采用天线选择对信号进行传输的方案相比，16×16天线阵列中采用天线选择对信号进行传输的方案比特出错率较小。
由上述可知，在LoRa中采用多天线传输，能够有效地抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性，并且通过在LoRa+MIMO的传输方式的基础上，加入天线选择方案，可对信号增益最优的一些信道进行组合，信号通过这些信道进行传输，能够进一步提高LoRa调制信号在瑞利信道中传输的可靠性。
综上所述，本发明的基于MIMO的LoRa信号传输方法通过LoRa+MIMO的新型传输方式，能够有效地抵抗瑞利衰落、提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性，即本发明通过在LoRa技术中加入多天线技术，且同时采用空时分组编码的形式对信号进行传输，可增加信道的容量，以增加信号发射端和接收端的分集度，获得分集增益，以抵抗瑞利衰落，进而提高LoRa信号在瑞利信道中传输的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于，所述基于MIMO的LoRa信号传输方法包括：
对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号；
对调制后的信号进行空时分组编码；
在编码后的信号中加入噪声，并将加入噪声后的信号在瑞利信道上传输；
接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'；
其中，所述对所要传输的LoRa信号x进行调制以获得调制后的信号包括：对所要传输的LoRa信号进行扩频处理以得到扩频后的信号，且将扩频后的信号与upchirp信号相乘以获得调制后的信号。
2.如权利要求1所述的基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于，所述对所要传输的LoRa信号x进行调制以得到调制后的信号之前还包括：在MIMO系统中选择最佳发射天线组合和最佳接收天线组合，以使得信号在所选择的最佳发射天线组合和最佳接收天线组合中进行传输。
3.如权利要求2所述的基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于，所述在MIMO系统中选择最佳发射天线组合和最佳接收天线组合包括：
发射端和接收端天线获取一个信道矩阵H，并对每个接收端天线的每Npr行进行排列组合，以获得接收端天线组合；其中，Npr为选出的接收天线的数目；
对每个接收端天线组合的信道矩阵进行加权运算，以获得加权矩阵M；
从所述加权矩阵M的每一行中提取Npr个最大值以组成矩阵M'，并将矩阵M'中每一行的值进行累加，以组成矩阵M”；从所述矩阵M”中提取出最大值，根据所述最大值获得最佳发射天线组合和最佳接收天线组合。
4.如权利要求1所述的基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于，所述接收端对接收到的信号进行解码，并对解码后的信号进行解调以获得接收信号x'包括：接收端对接收到的信号进行解码，且将解码后的信号与downchirp信号相乘，并对相乘后的信号进行解扩处理以获得接收信号x'。
5.如权利要求1所述的基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于：接收端采用最大似然译码方法对所接收的信号进行解码。
6.如权利要求1所述的基于MIMO的LoRa信号传输方法，其特征在于：所述加入的噪声为加性高斯白噪声。
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